Düşük hızlı darbe hasar analizi

Hibrit kompozit deney numunelerine teğetsel ön gerilme altındaki yapılan darbe deneylerinden sonra numunede oluşan hasarlar tespit edilmiş ve değerlendirilmiştir. Cam/karbon/cam-epoksi kompozit numunede meydana gelen hasarlar, bir dizi işlemden sonra görüntülenebilmektedir. Kompozit hibrit boru numunelerinin teğetsel ön gerilme altında darbe yapıldıktan sonra darbe bölgesinin ön gerilme uygulamada kullanılan hidrolik akışkandan arındırılması gerekmektedir. Bunun için darbe yapılmış boru numunesi temizlendikten sonra tekrardan temiz bir malafaya takılıp 8 bar hava basıncına maruz bırakılmıştır. Bu basınç değerinde ilave hasar oluşmamıştır. Özellikle matris çatlağı bulunan numunelerde; kullanılan hidrolik akışkanın tabakalar arasından rahat sızmasından dolayı hasar bölgesi makro olarak çok net bir şekilde görüntülenebilmiştir. Tabakalar arası ayrılmaların boyutu ve şekli ile mevcut olan matris çatlakları çıplak göz ile belirlenebilir (Abrate, 1998).

Darbe noktalarında oluşan hasarın dış ve iç bölgelerinin yüksek çözünürlükte fotoğrafları çekilmiş ve incelenmiştir. Numuneler darbe bölgelerinden kesilip optik mikroskop altında incelenerek kesit görüntüleri çıkarılmıştır.

Şekil 7.6, 7, 8 ve 9’da hibrit numunelerde 20 J enerji seviyesinde farklı teğetsel ön gerilme değerleri için dış, iç ve kesit bölgelerine ait hasarlar görülmektedir.

Dış görünüş İç görünüş (a) (b) (c)

Şekil 7.6 Hibrit kompozit boru numunelerinde 20 J darbe enerjisi için a) 6 MPa b) 12 MPa c) 18 MPa teğetsel ön gerilme değerlerinde oluşan dış ve iç hasar bölgeleri

Darbe merkezi Görüntü alanı

Darbe Merkezi Delaminasyon Delaminasyon Darbe Merkezi Boru Ekseni Yüzey Matris Çatlakları Darbe Merkezi Darbe Merkezi Delaminasyon alanı

(a)

(b)

(c)

(d)

Şekil 7.7 Hibrit kompozit boru numunelerinde 20 J darbe enerjisi için a) 24 MPa b) 30 MPa c)36 MPa d) 42 MPa teğetsel ön gerilme değerlerinde oluşan dış ve iç hasar bölgeleri

Delaminasyon Darbe Merkezi Darbe Merkezi Delaminasyon Boru Ekseni

Şekil 7.8 Hibrit kompozit boru numunelerinde 20 J darbe enerjisi için 48 MPa teğetsel ön gerilme değerinde oluşan dış ve iç hasar bölgeleri

Dış ve iç hasar bölgeleri incelendiğinde, darbe merkezi etrafında elyaf sarım doğrultusunda büyük bir delaminasyon alanı oluşmuştur. Tabakalı kompozit malzemede tabakalar arasındaki farklı elyaf yönlenmelerinden ve farklı takviye malzeme kullanımından dolayı bu tabakaların eğilme rijitlikleri farklılık gösterir. Delaminasyonun en önemli sebebi; tabakalar arasındaki bu eğilme rijitlik farklılığı ve eğilme kaynaklı kayma gerilmeleridir. Bu nedenle delaminasyon alanının elyaf sarım doğrultusunda yayılmaktadır. Numunenin iç hasar bölgesi incelendiğinde oluşan delaminasyon alanının dış hasar bölgesinden daha fazla olduğu görülmektedir.

Şekil 7.6, 7 ve 8’de hasar resimlerinde, dış ve iç yüzeyin cam elyafla sarılması ve reçineninde şeffaflık etkisi ile arka planda fon olarak görülen siyah zemin ±55 karbon tabakası çok net görülmektedir. Dış hasar bölgesi ±45 cam tabakası ve iç hasar bölgesi ±75 cam tabakasıdır. Darbe esnasında oluşan, dış tabakada basma ve çekme gerilmeleri ile iç tabakada sadece çekme gerilmesinin etkisiyle, cam tabakalar karbon tabakasından ayrılmıştır. Delaminasyonun etkisiyle numune dış ve iç yüzeyinde bulunan şaffaflık gitmiş ve hasar alanları daha net görüntülenebilmiştir.

Şekil 7.9’da kesit bölgelerine ait hasarlar dikkatli incelendiğindedarbe esnasında numuneye uygulanan ön gerilmenin 6 MPa’dan başlayarak 48 MPa’a kadar artmasıyla, yutulan enerji miktarında ciddi bir değişim olmamasına rağmen, numunelerde oluşan darbe hasar bölgesinin azaldığı açıkça görülmektedir. Ön gerilme değeri arttıkça numunede oluşan yer değiştirme (çökme) miktarının azalması darbe hasar bölgesininde azalmasına sebep olmaktadır. Azalan yer değiştirmenin etkisiyle daha küçük bir hasar bölgesi oluşmaktadır. Delaminasyon Darbe Merkezi Darbe Merkezi Delaminasyon Boru Ekseni

Şekil 7.9 Hibrit kompozit boru numunelerin sırasıyla 6, 12, 18, 24, 30, 36, 42 ve 48 MPa teğetsel ön gerilme altında 20 J darbe enerjisi sonrası, basınç artışına bağlı ön gerilme artışının sonucuna bağlı olarak

genişleyen delaminasyon darbe hasarının radyal kesit görünüşleri

6 MPa 12 MPa 18 MPa 24 MPa 30 MPa 36 MPa 42 MPa 48 MPa Darbe Merkezi

Delaminasyon hasar boyotu

6 MPa teğetsel ön gerilme değerinde; 20 J darbe enerjisi için Şekil 7.6 a’da numunenin dış ve iç bölgelerindeki hasarlar görülmektedir. Bu ön gerilme değerinde numunede oluşan hasar bölgesi diğer ön gerilme değerlerindeki hasarlara göre oldukça büyüktür. Numunenin iç ve dış hasar bölgesi incelendiğinde nüfuziyet bölgesi ve bu bölgeyi saran delaminasyon alanı görülmektedir.

Şekil 7.10, 11, 12, 13 ve 14’te numune kesitinde oluşan hasarlar görülmektedir. 6 MPa teğetsel ön gerilme değerinde hasarlandırılan numunede oluşan hasar bölgesi 12 MPa ve 18 MPa teğetsel ön gerilme değerlerinde darbe hasarlarından daha büyüktür.

(a)

(b)

(c)

Şekil 7.10 Hibrit borunun 6 MPa teğetsel ön gerilme atında 20 J darbe enerjisi sonrası hasarın radyal kesit görünüşleri, a) darbe merkezinden b) darbe merkezinin solundan c) darbe merkezinin sağından

6 MPa teğetsel ön gerilme değerinde numune kesitinden alınmış olan bütün mikro yapı resimlerinde delaminasyon çok net bir şekilde görülmektedir. Delaminasyon ağırlıklı olarak tabakalar arasında gerçekleşmektedir. Delaminasyon gelişimini, Şekil

Darbe Merkezi Transfer Çatlakları 1mm 1mm 1mm Transfer Çatlakları

7.11 incelendiğinde numunenin orta katmanında bulunan ±55 karbon tabakası belirlemektedir.

Şekil 7.11 6 MPa teğetsel ön gerilme atında darbe merkezinin radyal kesit görünüşü

Şekil 7.10’da radyal kesit ve Şekil 7.12’de eksenel kesitler incelendiğinde delaminasyonun; sarım açılarının ve eğilme rijitliklerinin farklılığından dolayı cam ve karbon tabakaları arasında oluştuğu görülmektedir. Darbenin etkisiyle ±45 cam tabakası ile ±55 karbon tabakası arasında başlayan delaminasyon transfer çatlakları vasıtasıyla karbon tabakası içinde ilerleyerek ±55 karbon tabakası ile ±75 cam tabakası arasına ulaştığı görülmektedir. Bu gelişim özellikle yorulma deneylerinde sızıntı yolu olarak tanımlanacaktır. 6 MPa teğetsel ön gerilme değerinde numunelerin hasar bölgesinin kesit görüntüleri optik mikroskop altında incelendiğinde numunede oluşan radyal çatlakların, daha büyük teğetsel ön gerilme değerlerinde görülenlere göre çok daha fazla olduğu bariz olarak tespit edilmiştir. Şekil 7.12a’da verilen eksenel kesit görüntüsünde numunede oluşan radyal çatlakların tüm tabakalar içinde olduğu görülmektedir.

Şekil 7.13’de darbe merkezinde darbe yüklemesi sırasında normal gerilmelerin karbon tabakasında radyal kayma mukavemetini aştığında oluşan çekme çatlakları görülmektedir. Şekil 7.10a,c’de ve Şekil 7.12c’de delaminasyonların, darbe merkezinden uzaklaştıkça transfer çatlakları aracılığıyla yön değiştirdiği ve bir alt veya üst tabakaya geçiş yaptığı net bir şekilde görülmektedir.

+75 Cam -75 Cam +55 Karbon -55 Karbon +45 Cam -45 Cam Reçine Bölgesi Delaminasyon 1mm

(a)

(b)

(c)

Şekil 7.12 Hibrit kompozit borunun 6 MPa teğetsel ön gerilme atında 20 J darbe enerjisi sonrası eksenel kesit görünüşleri a) darbe merkezinden b) darbe merkezinin solundan c) darbe merkezinin sağından

Şekil 7.13 6 MPa teğetsel ön gerilme atında darbe merkezinde çekme çatlaklarının eksenel kesit görünüşü

Şekil 7.14’de görüldüğü gibi numunenin dış ve iç yüzeyinde matris çatlak hasarları oluşmuştur. Oluşan bu çatlak hasarları 12 MPa teğetsel ön gerilme değerinde oluşan hasarlara göre çok daha fazladır. Şekil 7.14b’de dış yüzeyde görülen matris çatlakları elyaf sarım yönünde oluştuğu gibi darbe merkezi etrafında dairesel matris

Transer Çatlakları Radyal Çatlaklar 1mm 1mm 1mm 1mm Darbe Merkezi Çekme Çatlakları Darbe Merkezi

çatlakları şekilinde de oluşmuştur. Bu numunelerin iç yüzeyinde oluşan hasar alanı da diğerlerinde olduğu gibi dış yüzeyde oluşan alandan daha büyüktür. Bu teğetsel ön gerilme değerinde oluşan yoğun hasarlar özellikle darbe merkezinden ziyade, yer değiştirmenin (deplasmanın) fazla olmasından dolayı darbe merkezinin 1,5-2 cm çevresinde oluşmaktadır. Şekil 7.14a ve Şekil 7.14c’de hasar, dış yüzey matris çatlağı şeklinde oluşurken Şekil 7.14b ve Şekil 7.14d’de dış yüzey matris çatlaklarıyla beraber matris yarılması (splitting) şeklinde oluşmuştur. Şekil 7.14e’de hasarın, iç yüzey matris çatlağı şeklinde oluştuğu görülmektedir. Ön gerilmeli darbe esnasında söz konusu dış yüzey matris çatlaklardan terleme şeklinde sızıntı oluşmuştur. Bu çatlaklar statik patlatma ve yorulma deneylerinde sızıntı hasarının gelişiminde büyük rol oynayacaktır.

(a) (b)

(c) (d)

(e)

Şekil 7.14 Hibrit kompozit boruda 6 MPa teğetsel ön gerilme atında 20 J darbe enerjisi sonrası oluşan hasarlar, a-b) dış yüzey matris çatlakları c-d) dış yüzey matris çatlaklarının radyal kesit görünüşü e) iç

yüzey matris çatlağının radyal kesit görünüşü 1mm

12 MPa teğetsel ön gerilme değeri için; Şekil 7.6b’de hasarlı numunenin dış ve iç hasar bölgesi incelendiğinde, darbe merkezinde oluşan ve bu bölgeyi saran delaminasyon alanı bariz olarak görülmektedir. Abrate (1998)’nin de rapor ettiği gibi, numune üst yüzeyinden darbeye maruz bir tabaka için, farklı elyaf yönlendirme açılarındaki tabaka ara yüzeylerinde ve alt tabaka ara yüzeylerinde elyaf açılarına göre meydana gelen delaminasyon alanları dikdörtgen veya yerfıstığı şeklindedir.

Şekil 7.15, 16, 17, 18 ve 19’da numune kesitinde oluşan hasarlar incelendiğinde numunelerin iç yüzeyinde oluşan hasar alanı ve hasar miktarı, dış yüzeyden daha büyüktür. 12 MPa teğetsel ön gerilme değerinde hasarlandırılan numunede oluşan hasar bölgesi, 18 MPa teğetsel ön gerilme değeri hasarından daha büyük, 6 MPa teğetsel ön gerilme değeri hasarından daha küçüktür.

(a)

(b)

(c)

Şekil 7.15 Hibrit boruda 12 MPa teğetsel ön gerilme atında 20 J darbe enerjisi sonrası hasarın radyal kesit görünüşleri, a) darbe merkezinden b) darbe merkezinin solundan c) darbe merkezinin sağından

Darbe Merkezi

Delaminasyon

1mm 1mm 1mm

Farklı elyaf sarımaçılarına sahip tabakalar arasında eğilme rijitliği farklılık göstereceği için delaminasyon alanı, dış kısımda ±45 elyaf sarım doğrultusunda iç kısımda ±75 elyaf sarım doğrultusunda kısmen görülmekle bereber ±55elyaf sarım açılı karbon tabakası içinde de artış gösterdiği Şekil 7.15a’da görülebilmektedir.

Şekil 7.16’da 6 MPa ön gerilme değerinde de oluştuğu gibi, darbe merkezinde darbe yüklemesi sırasında normal gerilmelerin karbon tabakasında radyal kayma mukavemetini aştığında oluşan çekme çatlakları görülmektedir.

Şekil 7.16 12 MPa teğetsel ön gerilme atında darbe merkezinde çekme çatlaklarının radyal kesit görünüşü

12 MPa teğetsel ön gerilme değerinde hasarlandırılmış hibrit kompozit numunede oluşan delaminasyon alanının, yoğun olarak karbon tabakası içinde oluşması bu numunede hasarın dış ve iç yüzeyden görülebilmesini engellemiştir. Oluşan hasarlar Şekil 7.15a radyal kesitte ve Şekil 7.17a eksenel kesitte net bir şekilde görülmektedir.

Numune kesitindeki hasar gelişimi, numunenin darbe esnasında serbest olarak eğilememesi nedeniyle, 6 MPa gerilme değerinde darbe hasarında da görüldüğü gibi çam ağacı şeklinde olmuştur. Şekil 7.17a ve Şekil 7.18 dikkatli incelendiğinde darbenin etkisi ile numunenin iç kısmında bulunan ±75elyaf sarım açılı cam tabakalar arasında tabaka ayrılması ile beraber özellikle +75 cam tabakasında yoğun bir şekilde radyal matris çatlaklarının oluştuğu görülmektedir.

1mm

Çekme Çatlakları

(a)

(b)

(c)

Şekil 7.17 Hibrit borunun 12 MPa teğetsel ön gerilme atında 20 J darbe enerjisi sonrası hasarın eksenel kesit görünüşleri a) darbe merkezinden b) darbe merkezinin solundan c) darbe merkezinin sağından

Şekil 7.18 12 MPa teğetsel ön gerilme atında darbe merkezinde oluşan hasarların eksenel kesit görünüşü

Darbe Merkezi Radyal Çatlaklar Delaminasyon 1mm 1mm 1mm 1mm Radyal çatlaklar Delaminasyon Darbe Merkezi

Numunenin dış yüzey hasar bölgesinde Şekil 7.19’da ve Şekil 7.6b’de görüldüğü gibi dış yüzey matris çatlakları oluşmuştur. Çatlak yüzeyde matris bölgesinden başlayıp -45 sarım açılı cam tabakasından +45 cam tabakasına kadar ilerlemiş ve tabaka ayrılmasına sebep olmuştur. Oluşan çatlakları -45 cam elyaf sarım doğrultusuna diktir.

Şekil 7.19 12 MPa teğetsel ön gerilme atında darbe sonrası oluşan dış yüzey matris çatlağının ve tabaka ayrılmasının radyal kesit görünüşü

18 MPa teğetsel ön gerilme değeri için; Şekil 7.20, 21, 22 ve 23’de numune kesitinin optik mikroskop altında elde edilen görüntüleri verilmiştir. Hasar bölgesi incelendiğinde, yüksek ön gerilme ile azalan çökmede radyal çatlaklarında çok az oluştuğu gözlenmiştir. Darbe hasarının darbe merkezinin etrafına doğru yoğunlaştığı numunenin kesit görüntüsünden anlaşılmaktadır.

Şekil 7.20 Hibrit kompozit boru numunelerin 18 MPa teğetsel ön gerilme atında 20 J darbe enerjisi sonrası darbe merkezinin radyal kesit görünüşü

18 MPa teğetsel ön gerilme değerinde darbe neticesinde hasar bölgesinde oluşan delaminasyon ve transfer çatlakları Şekil 7.21’de radyal kesitte ve Şekil 7.23’de eksenel kesitte daha bariz bir şekilde görülmektedir.

Darbe Merkezi 1mm Yüzey matriks çatlağı 1mm Tabaka ayrılması

Şekil 7.21 18 MPa teğetsel ön gerilme atında darbe merkezinde transfer çatlaklarının ve delaminasyonların radyal kesit görünüşü

(a)

(b)

(c)

Şekil 7.22 Hibrit borunun 18 MPa teğetsel ön gerilme atında 20 J darbe enerjisi sonrası hasarın eksenel kesit görünüşleri a) darbe merkezinden b) darbe merkezinin solundan c) darbe merkezinin sağından

Hibrit kompozit borular ince cidarlı olmalarına rağmen uygulanan teğetsel ön gerilmenin artışından dolayı serbest bir şekilde eğilemediklerinden dış yüzey, iç yüzey ve radyal matris çatlaklarından ziyade sadece tranfer çatlaği ve tabaka ayrılmasına

Darbe Merkezi Transfer Çatlakları Delaminasyonlar Darbe Merkezi 1mm 1mm 1mm 1mm

doğru yöneldiği anlaşılmaktadır. Dış yüzey ve iç yüzey matris çatlaklarının oluşmaması ve radyal matris çatlaklarının az oluşu, özellikle yorulma deneylerinde sızıntı hasarının geç oluşmasına sebep olacaktır.

Şekil 7.23’te darbe merkezinde oluşan hasarlar görülmektedir. Darbe öncesi uygulanan ön gerilmenin yüksek olmasından dolayı oluşan hasarlar, ağırlıklı olarak delaminasyon hasarı şekilde görülmüştür. Delaminasyonlar tabakalar arasında yön değiştirmeden lineer şekilde ilerlemiştir. Ayrıca ön gerilme değerinin yüksek oluşu transfer çatlaklarının darbe merkezinde oluşmasına sebep olmuştur.

Şekil 7.23 18 MPa teğetsel ön gerilme atında darbe merkezinin eksenel kesit görünüşü

Her üç ön gerilme değerinde oluşan hasarlar genel olarak dikkate alındığında; darbe öncesinde uygulanan ön gerilme değeri arttıkça darbe hasarlarının azaldığı görülmektedir. Farklı sarım açılarından ve tabakalar arasındaki eğilme rijitlik farklılığından kaynaklı oluşan darbe ön hasarlarının, düşük ön gerilme değerlerinde daha etkin olduğu anlaşılmıştır. 6 MPa ön gerilme değerinde, iç ve dış yüzey matris çatlakları, radyal çatlaklar, trasfer çatlakları, çekme çatlakları ve delaminasyonlar yoğun olarak görülmüştür. Ön gerilme değeri attıkça, hibrit kompozit boru daha rijit hale gelmiş ve darbe esnasında oluşan yer değiştirme (çökme) miktarı azalmıştır. Yer değiştirme miktarının azalmasıyla; dış ve iç yüzey matris çatlaklarının oluşmadığı, radyal çatlaklarının bariz bir şekilde azaldığı, transfer çatlaklarının darbe merkezinde yoğunlaştığı, delaminasyon alanlarının azaldığı ve delaminasyonların tabakalar arasında yön değiştirmeden lineer şekilde ilerlediği tespit edilmiştir.

Darbe noktası +75 Cam -75 Cam +55 Karbon -55 Karbon +45 Cam -45 Cam Reçine Bölgesi Delaminasyonlar Transfer Çatlakları Radyal Çatlaklar 1mm